輔助人工采摘蘋果采摘裝置設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說明書】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查報(bào)告
一.課題簡介：
隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)的工作都開始向著智能化，自動(dòng)化方向靠攏。農(nóng)業(yè)機(jī)械化更是如此。不過在我國，果園采摘機(jī)械方面的研究還處于起步階段。如何減輕果農(nóng)在采摘蘋果時(shí)的工作量，減輕果農(nóng)的負(fù)擔(dān)，正是本次設(shè)計(jì)所要研究的問題。
二.按照任務(wù)書應(yīng)完成的工作內(nèi)容與進(jìn)展情況：
1.查閱資料文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)輔助人工采摘蘋果裝置設(shè)計(jì)理論和方法，了解所設(shè)計(jì)的采摘裝置結(jié)構(gòu)；
根據(jù)任務(wù)書要求，利用本校圖書館資源，查閱相關(guān)的期刊文獻(xiàn)，以及上網(wǎng)搜索資料，對(duì)所要設(shè)計(jì)研究的課題有了初步的了解。
2.撰寫開題報(bào)告，對(duì)開題報(bào)告按批注進(jìn)行修改；
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置所要達(dá)成的要求，初步規(guī)劃設(shè)計(jì)流程，撰寫開題報(bào)告，由同學(xué)查看無誤后，最后交由老師審核通過。
3.查找與閱讀論文相關(guān)的合適的英文文獻(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行翻譯并完成；
由于英語水平有限，需要借助翻譯詞典進(jìn)行輔助，所幸沒有太大的錯(cuò)誤。
4.擬定總體設(shè)計(jì)方案，繪制簡圖；
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的輔助人工采摘蘋果裝置的使用功能及機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，初步設(shè)計(jì)方案分為三個(gè)部分，即運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，果實(shí)安全傳輸機(jī)構(gòu)，采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此部分設(shè)計(jì)任務(wù)基本完成。
5.擬定傳動(dòng)方案及繪制運(yùn)動(dòng)簡圖，對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；
由于在傳動(dòng)方案的選擇上，目前還沒有決定采用純機(jī)械式傳動(dòng)或是電動(dòng)，加之在傳動(dòng)部分還存在許多問題，所以這部分工作未能如期完成，不過這部分工作我會(huì)在后面的設(shè)計(jì)中盡快完成。
6.對(duì)輔助人工采摘蘋果裝置各功能部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
為了實(shí)現(xiàn)輔助人工采摘蘋果裝置的使用功能，將蘋果從高處運(yùn)送至地面，所以設(shè)計(jì)了主要的機(jī)構(gòu)，如柔性布筒，運(yùn)輸小車，采摘機(jī)械手等結(jié)構(gòu)部件，此部分設(shè)計(jì)工作大體上都已完成，不過許多細(xì)節(jié)還有待優(yōu)化。
三.下一步工作：
1.用三維設(shè)計(jì)繪圖軟件設(shè)計(jì)輔助人工采摘蘋果裝置，繪制裝配圖及主要零件工作圖；
2.撰寫畢業(yè)論文，完成初稿；
四.課題存在的問題及解決辦法：
問題：
1.存在的問題很多，剛開始查閱資料時(shí)，關(guān)于輔助人工采摘機(jī)械的資料并不多，多數(shù)都是關(guān)于自動(dòng)化采摘機(jī)器人的，之后的方案設(shè)計(jì)也是令人一頭霧水，完全不知道該如何下手。
2.關(guān)于裝置各部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也存在一些問題，比如在采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)上，遇到兩個(gè)并蒂蘋果時(shí)該如何設(shè)計(jì)裝置，使果實(shí)在采摘時(shí)不受傷害等。
解決辦法：
通過自己搜集的資料，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)各部分結(jié)構(gòu)部件仔細(xì)分析，搞清楚每個(gè)細(xì)節(jié)，向同學(xué)老師請(qǐng)教。多花點(diǎn)時(shí)間在畢業(yè)設(shè)計(jì)上。這個(gè)過程需要耐心，認(rèn)真地去完成每個(gè)步驟，這樣我才能順利地完成畢設(shè)。
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告
論文（設(shè)計(jì)）題目
輔助人工采摘蘋果裝置設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
一．選題的目的和意義
21世紀(jì)以來，隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)改革建設(shè)的不斷深入，原始的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式正逐漸被各種機(jī)械所替代，但在蘋果采摘這一領(lǐng)域卻并沒有實(shí)質(zhì)性的研究突破。在我國大多數(shù)地區(qū)，蘋果采摘工作仍舊是純手工完成。這樣的生產(chǎn)方式不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且在采摘過程中，果農(nóng)需要不斷地爬高，存在一定的危險(xiǎn)。本課題的研究就是為了減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，避免爬高帶來的意外傷害。
二．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外研究現(xiàn)狀：
目前國外對(duì)采摘機(jī)械的研究主要是以采摘機(jī)器人為主。其研究思想是人機(jī)協(xié)作，即由人來完成尋找、導(dǎo)航、定位待采摘蘋果，由機(jī)器人來完成果實(shí)的采摘任務(wù)。機(jī)器人采摘蘋果可以極大地解放生產(chǎn)力，提高采摘效率，但其缺點(diǎn)也十分明顯。由于工作環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，目前采摘機(jī)器人的智能化水平離實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化還有很長一段路要走。
國內(nèi)研究現(xiàn)狀：
我國從20世紀(jì)70年代開始研究果園采摘機(jī)械。受我國地域種植條件限制，此類研究主要以人工作業(yè)用的輔助機(jī)械為主。至90年代開始，由于市場(chǎng)因素帶動(dòng)果樹種植熱潮，因此以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的各種簡易采摘器應(yīng)運(yùn)而生。2007年機(jī)械研究所研制出了我國第一臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)，即LG-1型多功能自走式作業(yè)機(jī)。該作業(yè)機(jī)的研制成功，標(biāo)志著我國果園由單一的采摘機(jī)械進(jìn)入到了多功能作業(yè)的機(jī)械時(shí)代。
在機(jī)器人采摘研究方面，我國尚處于起步狀態(tài)。2006年我國出臺(tái)了“十一五”國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），提出了高科技技術(shù)項(xiàng)目《果園采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究》。近年來國內(nèi)許多高校也積極介入農(nóng)業(yè)機(jī)器人采摘領(lǐng)域的研究，取得了一定成果。
在我國現(xiàn)階段內(nèi)蘋果種植方式主要是分散栽培，分戶管理。真正集中成片統(tǒng)一管理的大型現(xiàn)代化果園其實(shí)很少。所以就成本，技術(shù)等種種因素考慮，現(xiàn)階段內(nèi)果農(nóng)可以使用的采摘機(jī)械應(yīng)是以人為主，機(jī)械為輔的。即考慮到適用對(duì)象是果農(nóng)，并不具備系統(tǒng)的，專業(yè)的機(jī)電知識(shí)，所以設(shè)計(jì)出來的機(jī)械裝置應(yīng)合理可靠，操作簡便，成本低廉。
三．課題研究內(nèi)容
果農(nóng)在采摘蘋果時(shí)，導(dǎo)致采摘效率低的主要原因有：
（1）果樹高矮程度不一，在采摘時(shí)需要利用短梯爬高或彎腰甚至蹲伏；
（2）人工采摘蘋果時(shí)，有的蘋果根部難以折斷，耗時(shí)較長；
（3）果農(nóng)在爬高采摘蘋果時(shí)，一次的采摘量最多有三到四個(gè)，需反復(fù)地爬上 爬下，既浪費(fèi)時(shí)間增加了危險(xiǎn)性。
要提高采摘效率，實(shí)現(xiàn)本次輔助人工采摘裝置設(shè)計(jì)的目的，則必須考慮上述原因。
因此本課題的研究具體內(nèi)容如下：
（1）了解果農(nóng)在采摘蘋果時(shí)所遇到的各種具體問題；
（2）結(jié)合實(shí)際構(gòu)思輔助人工采摘蘋果裝置的基本結(jié)構(gòu)；
（3）輔助人工采摘蘋果裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和整體建模；
（4）輔助人工采摘蘋果裝置的結(jié)構(gòu)可靠性分析；
（5）通過Creo對(duì)輔助人工采摘蘋果裝置進(jìn)行仿真研究。
四．研究方案以及步驟
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)與實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行的，所以在撰寫論文的同時(shí)，也應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置進(jìn)行可行性分析，所以研究方案及步驟如下：
第一階段：
1）查閱相關(guān)資料，整理出所需的信息，形成文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告；
2）明確設(shè)計(jì)要求，借鑒其他現(xiàn)有的研究思路；
3）學(xué)習(xí)相關(guān)軟件。
第二階段：
1）深入研究，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，初步形成設(shè)計(jì)方案；
2）初步確定方案，并對(duì)其可行性、操作性能進(jìn)行分析并改進(jìn)；
3）對(duì)改進(jìn)后的計(jì)算方法演算，確定最終分析方案；
4）繪制完整的裝配圖及零件圖。
第三階段：
對(duì)輔助人工采摘蘋果裝置進(jìn)行仿真測(cè)試，并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫論文并反復(fù)修改，完成定稿。
五.論文提綱
題目：輔助人工采摘蘋果裝置設(shè)計(jì)
摘要：
關(guān)鍵詞：
1.緒論
1.1 輔助人工采摘蘋果裝置研究背景
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.3 輔助人工采摘蘋果裝置研究的目的和意義
2.輔助人工采摘蘋果裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)
2.1輔助人工采摘蘋果裝置總體方案設(shè)計(jì)
2.2輔助人工采摘蘋果裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.3輔助人工采摘蘋果裝置傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
3.輔助人工采摘蘋果裝置設(shè)計(jì)方案的可行性論證
4.輔助人工采摘蘋果裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1輔助人工采摘蘋果裝置的結(jié)構(gòu)尺寸確定
4.2輔助人工采摘蘋果裝置的傳動(dòng)計(jì)算
5.主要零件校核
5.1主要零件受力分析
5.2主要零件校核
6.輔助人工采摘蘋果裝置的Creo仿真分析
6.1 Creo仿真軟件概述
6.2輔助人工采摘蘋果裝置的機(jī)構(gòu)仿真分析
6.3輔助人工采摘蘋果裝置的運(yùn)動(dòng)效果仿真
7.結(jié)論
六．預(yù)計(jì)完成工作量和工作條件
1.初步設(shè)計(jì)輔助人工采摘蘋果裝置的技術(shù)條件及其結(jié)構(gòu)
2.確定輔助人工采摘蘋果裝置基本結(jié)構(gòu)
3.確定設(shè)計(jì)方案
4.對(duì)主要零件進(jìn)行受力分析及校核
5.繪制裝配草圖及主要零件工作圖
6.外文翻譯
7.畢業(yè)論文
工作條件：
1）自主學(xué)習(xí)相關(guān)仿真軟件；
2）查閱與輔助人工采摘蘋果裝置相關(guān)的文獻(xiàn)資料；
3）校后工廠房各類機(jī)床設(shè)施及資料；
4）專業(yè)老師的指導(dǎo)；
5）動(dòng)態(tài)仿真視頻錄制。
七．存在問題及擬采取的解決措施
問題：1.在保證工作效率的前提下，如何使結(jié)構(gòu)盡可能簡單，方便操作。
2.材料如何選取。
擬解決的措施：對(duì)于第一個(gè)問題來說，要使結(jié)構(gòu)盡可能簡單，并不是在前期設(shè)想中就可以解決，而是在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，遵循機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)機(jī)器的主要要求等，不斷改進(jìn)，不斷優(yōu)化，以期能夠得到最優(yōu)的解決方案。對(duì)于選取材料，應(yīng)以經(jīng)濟(jì)性要求，質(zhì)量小的要求為準(zhǔn)則，結(jié)合機(jī)械裝置工作要求來選取。
參考文獻(xiàn)
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[10]Kumhala F Kavka M Prosek V. Capacitive throughput unit applied to stationary hop picking machine.Computers and Electronics in Agriculture.2013.
指導(dǎo)教師意見及建議（從選題、理論與實(shí)證準(zhǔn)備、研究（設(shè)計(jì)）方法、工作安排等方面給出評(píng)價(jià)，并提出指導(dǎo)意見）：
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
畢業(yè)論文工作組意見及建議
畢業(yè)論文工作組組長簽字： 年 月 日
注：1.此表由學(xué)生填寫后，交指導(dǎo)教師簽署意見，經(jīng)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作組審批后，才能開題。
2.此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學(xué)院存檔。
分你類號(hào) 單位代碼
密 級(jí) 學(xué) 號(hào)
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題 目
輔助人工采摘蘋果裝置設(shè)計(jì)
作 者
院 (系)
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
答辯日期
輔助人工采摘蘋果裝置設(shè)計(jì)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠信責(zé)任書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。
本人畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）與資料若有不實(shí)，愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任。
作者簽名:
輔助人工采摘蘋果裝置設(shè)計(jì)
摘要：目前，世界上各國對(duì)于果園收獲機(jī)器人的研究雖然很多，但由于果園環(huán)境復(fù)雜，自動(dòng)導(dǎo)航辨識(shí)系統(tǒng)工作時(shí)的準(zhǔn)確率并不是很高，所以全自動(dòng)智能化作業(yè)采摘蘋果設(shè)備并沒有大規(guī)模地應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中，而農(nóng)民階層從古時(shí)候到現(xiàn)代一直都屬于收入偏低的一群人，他們掙錢的方式就是靠自己純粹的體力勞動(dòng)來換取報(bào)酬，這也是在我國高度智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械未能大規(guī)模應(yīng)用的重要原因之一，再加上我國從建國到如今科技飛速發(fā)展的時(shí)間并不是很長，在農(nóng)機(jī)這方面的投入比重也是從最近幾年才開始增加，所以，現(xiàn)階段內(nèi)其實(shí)是很需要有一種農(nóng)業(yè)機(jī)械來代替人力完成繁重的果園勞作，這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題從某種意義上來說，也是對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的一種探索，而且家里的主要經(jīng)濟(jì)來源也是依靠蘋果園林，本身也希望未來能夠有這么一種機(jī)械問世以減輕父母身上的重?fù)?dān)，所以這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是很有意義的。
拋開我國的智能化采摘機(jī)械設(shè)備研究進(jìn)展程度不說，但就其成本而言，一臺(tái)成熟的智能采摘設(shè)備對(duì)于果農(nóng)而言，它的價(jià)格是無法接受的。而市面上常見的一些簡易采摘器又無法完全承擔(dān)起整個(gè)采摘任務(wù)，減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，希望能夠通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題改善這種情況。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：
首先，從搜集的資料來看，關(guān)于輔助人工采摘蘋果的研究很少，所以很多地方了參考國內(nèi)外關(guān)于蘋果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，提出本次課題設(shè)計(jì)研究的基本原則。其次結(jié)合果園實(shí)際情況，以整個(gè)裝置中的采摘機(jī)構(gòu)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，同時(shí)對(duì)其他各部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除此之外，還結(jié)合果園植株的實(shí)際生長情況對(duì)裝置的各部分零件的參數(shù)規(guī)格進(jìn)行了計(jì)算，利用所學(xué)知識(shí)對(duì)整個(gè)裝置的伸縮桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，以及對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保方案的可行性。然后利用現(xiàn)有的仿真軟件Creo 2.0對(duì)輔助人工采摘蘋果裝置進(jìn)行模擬仿真，做出整個(gè)裝置的三維效果圖，對(duì)照實(shí)際果園采摘情況進(jìn)行分析，改進(jìn)方案，同時(shí)利用工程制圖軟件CAD軟件繪出輔助人工采摘蘋果裝置的裝配圖及各部分主要零件的零件圖，使整個(gè)方案設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)，準(zhǔn)確。
關(guān)鍵詞：采摘器；伸縮桿；農(nóng)業(yè)機(jī)械；模擬仿真；蘋果
Design of the device for assisted artificial picking of apples
Abstract:At present, there are many researches on orchard harvesting robot in the world, but because of the complexity of orchard environment, the accuracy of automatic navigation and identification system is not very high. So the fully automatic and intelligent apple picking device has not been applied to actual production and life on a large scale, and the peasant class has been a group of people with low incomes from ancient times to modern times. Their way of earning money is to rely on their own pure physical labor in exchange for remuneration, which is one of the important reasons why highly intelligent agricultural machinery has not been applied on a large scale in our country. In addition, the period between the founding of the people's Republic of China and the rapid development of science and technology in our country is not very long. The proportion of agricultural machinery in this area has also increased in recent years. Therefore, at this stage, we really need a kind of agricultural machinery instead of manpower to complete heavy orchard work. In a sense, this graduation project is also an exploration of this field, and the main source of income of the family is also dependent on the apple garden. I hope there will be a machine to lighten the burden on my parents in the future, so this graduation project is very meaningful.
Aside from the research progress of intelligent harvesting machinery in China, the price of a mature intelligent picking equipment is unacceptable to fruit farmers in terms of its cost. And some common simple pickers in the market can not fully undertake the task of picking, reduce the labor intensity of fruit farmers, hope to improve this situation through the graduation project. The main contents of this graduation project include:
First of all, according to the collected data, there is little research on artificial apple picking, so many places refer to the design ideas of apple picking robot at home and abroad, and put forward the basic principles of this subject design research. Secondly, according to the actual situation of orchard, the picking mechanism of the whole device is used as the main design work, and the other parts of the mechanism are designed concretely, in addition, According to the actual growth of the orchard plant, the parameter specifications of each part of the device are calculated, the stability of the telescopic rod of the whole device is checked by using the knowledge learned, and the strength of the main parts is checked, and the strength of the main parts is verified. And then using the existing simulation software Creo 2 to simulate the artificial picking Apple device, make the three-dimensional effect map of the whole device, analyze the actual orchard picking situation and improve the scheme, and draw the assembly drawing of the auxiliary artificial picking Apple device by using the software CAD software of the engineering drawing software. The parts drawing of the main parts of each part makes the whole design more rigorous and accurate.
Keywords：Picking device, telescopic rod, agricultural machinery, apple
III
目錄
1 緒論 1
1.1 輔助人工采摘蘋果裝置的研究背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2.1 國外研究成果現(xiàn)狀： 1
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀： 2
1.3 輔助人工采摘蘋果裝置研究的目的和意義 3
1.4 研究內(nèi)容和方法 3
2 輔助人工采摘蘋果裝置研究方案設(shè)計(jì) 4
2.1 蘋果生長特性環(huán)境及果園實(shí)際種植現(xiàn)狀 4
2.2 輔助人工采摘蘋果裝置總體設(shè)計(jì) 4
2.2.1 輔助人工采摘蘋果裝置整機(jī)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
2.2.2 輔助人工采摘蘋果裝置工作過程簡介 5
3 輔助人工采摘蘋果裝置采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7
3.1 伸縮桿設(shè)計(jì) 7
3.1.1 伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.1.2伸縮桿設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 8
3.2 采摘頭連接裝置設(shè)計(jì) 10
3.3 采摘頭設(shè)計(jì) 10
3.3.1 夾持機(jī)構(gòu) 10
3.3.2 切割機(jī)構(gòu) 11
3.3.3 傳動(dòng)控制 13
4 果實(shí)安全傳輸裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
5 輔助人工采摘蘋果裝置運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的選擇 16
6 采摘機(jī)構(gòu)受力分析及彎曲切應(yīng)力強(qiáng)度校核 17
7 部位仿真模擬分析 20
7.1軟件介紹 20
7.2繪制零件圖 20
總結(jié) 25
參考文獻(xiàn) 26
致 謝 27
附錄 30
1 緒論
蘋果種植業(yè)是陜西地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，蘋果也是陜西的特產(chǎn)之一，尤其是我的老家?guī)缀跫壹覒魬舴N植蘋果。而每年秋季采摘蘋果也成為果農(nóng)們最重要，也是最辛苦的農(nóng)業(yè)勞作之一，之所以這樣說，是因?yàn)樘O果成熟期很短，而果農(nóng)們要趕在果實(shí)自然成熟脫落之前完成采收工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)要求高，同時(shí)整個(gè)采摘工作完全依靠人工完成，自然也是果園農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作效率低下的集中環(huán)節(jié)，而且隨著工業(yè)的興起和發(fā)展，相對(duì)于收入微薄的農(nóng)業(yè)勞作，大部分人更愿意去大城市打工賺錢，這樣就導(dǎo)致了大量勞動(dòng)力流向工業(yè)領(lǐng)域，這對(duì)本就需要高強(qiáng)度勞作的蘋果采摘來說無疑是雪上加霜，所以對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展而言，機(jī)械化生產(chǎn)勞作無疑是提高生產(chǎn)效率的有效途徑，也能大幅度緩解果農(nóng)果農(nóng)勞作的辛勞，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要意義。
1.1 輔助人工采摘蘋果裝置的研究背景
在我國北方大多數(shù)地區(qū)，蘋果種植多數(shù)停留在人工作業(yè)的階段，由于成本以及環(huán)境等因素的制約，現(xiàn)代化機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)對(duì)于果民來說還是有一定困難，而果園生產(chǎn)又是一項(xiàng)十分辛苦的勞作，除此之外，人工作業(yè)采摘蘋果還存在很多的安全問題，比如在采摘蘋果的過程中，難免會(huì)遇到需要穿過樹枝駁雜的地方采摘蘋果的情況，這時(shí)候手臂一不小心就會(huì)被樹枝劃傷。再比如果農(nóng)在采摘果樹枝頭的蘋果時(shí)，需要借助梯子或爬樹才能夠得著，有很大幾率摔傷，這也是危險(xiǎn)來源之一。據(jù)調(diào)查可知，果農(nóng)在采摘高枝蘋果時(shí)普遍采用人字梯工具，而且為了節(jié)省時(shí)間和采摘效率，很少采用安全防護(hù)措施，這使得高枝蘋果采摘工作充滿了危險(xiǎn)和不確定性。而且這種采摘方式由于在高處作業(yè)，必然是一手扶梯以固定身形，另一只手單手進(jìn)行采摘，容易使得蘋果果柄從根部斷開，或者在采摘時(shí)用力較大而影響其他成熟度高的蘋果掉落，出現(xiàn)殘次果品，影響蘋果成交價(jià)格。所以需要一種輔助人工采摘裝置來解決這些問題，使人們不用再爬高就能方便地完成采收工作。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 國外研究成果現(xiàn)狀：
利用機(jī)器人收獲果品蔬菜的想法最早來源于美國的兩個(gè)學(xué)者，自此后各國紛紛展開了收獲機(jī)器人方面的研究，直至今日已經(jīng)頗有成效。目前國外對(duì)采摘機(jī)械的研究主要是向智能化，自動(dòng)化的方向發(fā)展，借助機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一想法。它的主流研究思想是以人機(jī)協(xié)作的方式，即由人來完成尋找、導(dǎo)航、定位待采摘蘋果，由機(jī)器人來完成果實(shí)的采摘任務(wù)，而在不久的將來，定位，導(dǎo)航的工作也將會(huì)有機(jī)械電子裝置完成，到那時(shí)，所有的工作都將以機(jī)器來完成，果農(nóng)不必再為采摘蘋果而煩惱。從國外采摘機(jī)械的發(fā)展歷程來看，收獲機(jī)器人的主流結(jié)構(gòu)大致有三個(gè)部分組成，即運(yùn)輸，采摘以及識(shí)別部分。其中采摘部分多數(shù)是采用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，比如1944年韓國國立大學(xué)的Jang等人所設(shè)計(jì)的蘋果收獲機(jī)器人，還有2004年美國加利福尼亞西紅柿機(jī)械公司生產(chǎn)出的一款西紅柿采摘機(jī)器人，都是用機(jī)械臂，不同的只是其自由度不同。利用機(jī)械裝置來代替人力作業(yè)一直都是社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的標(biāo)志，采收智能機(jī)器人一方面可以極大地解放生產(chǎn)力，提高采摘效率，但同時(shí)它的缺點(diǎn)也十分明顯，由于果園的環(huán)境比研究人員的實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境要復(fù)雜的多，比如多變的天氣，地面并不是平整的混凝土而是松軟的土壤等等，以及目前采收機(jī)器人的智能化水平并還不足以完全解決蘋果采摘時(shí)的路徑導(dǎo)航識(shí)別等問題，所以說，要想大規(guī)模地使用機(jī)器人來代替人去工作在現(xiàn)階段內(nèi)還是很難實(shí)現(xiàn)的。
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀：
由于歷史及各方面的原因，我國研究果園采摘機(jī)械相比較于其他各國來說算是起步較晚的，而且在我國果樹種植業(yè)多在北方，以山種植地為主，崎嶇不平的路面使得正常車輛出行都受到限制，更別說是在果園的松軟地面了，這也是機(jī)械化采摘作業(yè)發(fā)展受到限制的原因之一。不過隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從90年代開始，市場(chǎng)因素帶動(dòng)果樹種植熱潮，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的各種簡易采摘器越來越多的現(xiàn)在人們的視野，對(duì)果園種植業(yè)的發(fā)展也起到了一定的作用，不過這也不能完全地解決我國農(nóng)業(yè)采摘的諸多問題，直到我國第一臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)問世，無論從那種角度來講，這都是一件令人振奮的事情，因?yàn)檫@標(biāo)志著我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展邁出了關(guān)鍵性的一步。
相比較于國外發(fā)達(dá)國家在機(jī)器人采摘領(lǐng)域方面的研究，我國在這方面確實(shí)還顯得很稚嫩，不過國家對(duì)這一領(lǐng)域也是十分重視的，先后出臺(tái)了不少政策以鼓勵(lì)智能化機(jī)器人采摘果實(shí)研究領(lǐng)域的發(fā)展，不僅如此，近年來國內(nèi)許多高校也積極投入農(nóng)業(yè)機(jī)器人采摘領(lǐng)域的研究，取得了一定成果。
在我國現(xiàn)階段內(nèi)蘋果種植就成本，技術(shù)等種種因素考慮，現(xiàn)階段內(nèi)果農(nóng)可以使用的采摘機(jī)械應(yīng)是以人為主，機(jī)械為輔的。即機(jī)械裝置被設(shè)計(jì)出來，其主要目的是為了幫助果農(nóng)完成采摘任務(wù)，減輕果農(nóng)的負(fù)擔(dān)，而不是以完全替代果農(nóng)勞作為目的，這也是現(xiàn)階段內(nèi)最適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀的機(jī)械裝置設(shè)計(jì)思路，而這又往往被很多學(xué)者所忽略。
1.3 輔助人工采摘蘋果裝置研究的目的和意義
21世紀(jì)以來，隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)改革建設(shè)的不斷深入，原始的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式正逐漸被各種機(jī)械所替代，但在蘋果采摘這一領(lǐng)域卻并沒有實(shí)質(zhì)性的研究突破，比如工業(yè)上很多設(shè)備生產(chǎn)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能化管理，而在農(nóng)業(yè)采摘作業(yè)方面仍舊是純手工完成，果農(nóng)需要踩高爬低地辛勤勞作，累的腰酸背痛不說，效率還不高，這樣的生產(chǎn)方式不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且在采摘過程中，果農(nóng)需要不斷地爬高，很容易從高處跌落，存在很大的危險(xiǎn)。本課題的研究就是為了減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，避免爬高帶來的意外傷害。
1.4 研究內(nèi)容和方法
次輔助人工采摘蘋果裝置的設(shè)計(jì)是結(jié)合果園實(shí)際情況，以及果農(nóng)在人工勞作時(shí)的具體過程，了解蘋果采摘的細(xì)節(jié)，然后以整個(gè)裝置中的采摘機(jī)構(gòu)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，除此之外 ，對(duì)其他各部分機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還結(jié)合果園植株的實(shí)際生長情況對(duì)裝置的各部分零件的參數(shù)規(guī)格進(jìn)行了計(jì)算以確保裝置被設(shè)計(jì)出來不會(huì)出現(xiàn)無法組裝的問題。除了這些，還做了許多其他的工作，比如：
（1）通過對(duì)蘋果果園的實(shí)地考察，了解蘋果的生長環(huán)境和栽培方法，收集蘋果的主干基徑，樹冠高度，樹冠基徑等實(shí)際參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，從實(shí)用性的角度出發(fā)，提出合適的設(shè)計(jì)方案。
（2）利用自己熟悉的CREO 2.0仿真軟件對(duì)輔助人工采摘蘋果裝置進(jìn)行模擬仿真，對(duì)照實(shí)際果園采摘情況進(jìn)行分析，改進(jìn)方案，同時(shí)利用CAD軟件會(huì)出輔助人工采摘蘋果裝置的裝配圖及各部分主要零件的零件圖，使整個(gè)方案設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)，準(zhǔn)確。
(3) 利用所學(xué)知識(shí)對(duì)整個(gè)方案的主要零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，確保整個(gè)裝置的可靠性與可行性。
2 輔助人工采摘蘋果裝置研究方案設(shè)計(jì)
2.1 蘋果生長特性環(huán)境及果園實(shí)際種植現(xiàn)狀
本次輔助人工采摘蘋果裝置的設(shè)計(jì)涉及到蘋果的采摘作業(yè)，所以在選定設(shè)計(jì)方案前，需要對(duì)蘋果的植株生長情況及果園的地形地貌有一定的了解，以禮泉的果園為例，本次的實(shí)地考察調(diào)研得到的數(shù)據(jù)資料，雖不全面，但也能反映出一些情況。
果園內(nèi)在種植蘋果時(shí)，通常會(huì)分列種植，兩列之間會(huì)留出足夠距離作為作業(yè)通道，以方便管理果樹。植株以高度分為喬化樹種和矮化樹種，考慮到樹冠基徑，樹冠高度等情況，會(huì)留出3-4米的距離作為株距，為果樹留出足夠的生長空間。
果園地面多為松軟的土壤，目前果樹果實(shí)的培育方式多為雙層套袋，及在果樹剛結(jié)出果實(shí)的時(shí)候?yàn)槠涮咨弦粚铀芰媳∧?，待其長大一些，再套上紙袋防止病蟲害，同時(shí)保證果品的果面光潔，但這樣做也會(huì)影響蘋果的著色。所以在果實(shí)成熟之際，果農(nóng)會(huì)在去掉套袋之后在地面上鋪一層反光膜材料，這樣既保證了蘋果果樹根部的水分和濕度，同時(shí)反光膜的反射作用可以使陽光照射到蘋果的背陰面，以彌補(bǔ)果實(shí)光澤度不足的問題，一般對(duì)于樹冠高處的成熟果實(shí)而言，果體直徑在75mm-95mm左右。
表2.1 樹形結(jié)構(gòu)列表及相關(guān)參數(shù)（以下數(shù)據(jù)為均值結(jié)果）
項(xiàng)目
主干基徑
樹冠高度
樹冠基徑
底枝高度
喬化樹種
19.85
301.84
146.4
109.6
矮化樹種
21.04
216.93
179.2
74.7
2.2 輔助人工采摘蘋果裝置總體設(shè)計(jì)
輔助人工采摘蘋果裝置是一種為了解決人們采摘高枝蘋果效率低，耗時(shí)費(fèi)力等問題而設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械工具，在設(shè)計(jì)時(shí)除了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還應(yīng)該考慮一些其他的基本問題。比如該裝置的可操作性，因?yàn)檩o助人工采摘蘋果裝置的使用者是廣大果農(nóng)，他們大多數(shù)人并不懂如何去維修壞掉的機(jī)器，所以在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮裝置的結(jié)構(gòu)是否簡單易用，裝置是否易于維修，可靠性是否足夠等等。除此之外，還要考慮成本的問題，結(jié)合現(xiàn)有資料來看，現(xiàn)如今我國的果園種植基本上都是那種各自經(jīng)營自家的一畝三分地，而且所研究的輔助人工采摘蘋果裝置本身的利用也僅僅是應(yīng)用于蘋果采摘這一個(gè)環(huán)節(jié)，若是成本高昂，必然會(huì)導(dǎo)致果農(nóng)難以接受，提高果園生產(chǎn)效率也就無從談起了，基于此，本次的輔助人工采摘蘋果裝置是以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.2.1 輔助人工采摘蘋果裝置整機(jī)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
目前世界上關(guān)于蘋果采摘的果園收獲機(jī)器人結(jié)構(gòu)的研究大致分為三個(gè)部分，即果實(shí)的成像識(shí)別技術(shù)，采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)輸方式設(shè)計(jì)，且越來越趨向于智能化和一體化，其中采摘機(jī)構(gòu)多脫胎于工業(yè)上的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)采摘范圍的最大化。本次設(shè)計(jì)方案也借鑒于這種設(shè)計(jì)思想，整個(gè)裝置整體分為三個(gè)部分，即采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)，果實(shí)安全傳輸機(jī)構(gòu)和運(yùn)輸機(jī)構(gòu)。 其中采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)主體部分采用伸縮桿和采摘頭，采摘頭結(jié)構(gòu)以夾持機(jī)構(gòu)，刀架和電機(jī)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)。
果實(shí)傳輸機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一種柔性很好的布料制成的中通的袋子，采用內(nèi)外兩層設(shè)計(jì)，外層采用彈性很好的布料柔性帶，上大下小，內(nèi)層采用環(huán)節(jié)式彈性網(wǎng)設(shè)計(jì)，以減緩蘋果墜落時(shí)的速度，避免過大的加速碰撞而使蘋果受到損傷。
運(yùn)輸機(jī)構(gòu)分為外層整體設(shè)計(jì)，外框結(jié)構(gòu)，內(nèi)框結(jié)構(gòu)三個(gè)部分，外層整體設(shè)計(jì)初步確定為小推車樣式，外框結(jié)構(gòu)固定在小車上，同時(shí)預(yù)留出采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置，內(nèi)框作為活動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在收集滿后可整筐取出，便于之后的運(yùn)輸。輔助人工采摘蘋果裝置總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)示意圖如圖2.1所示：
圖2.1 輔助人工采摘蘋果裝置總體結(jié)構(gòu)方案示意圖
2.2.2 輔助人工采摘蘋果裝置工作過程簡介
果農(nóng)在采摘蘋果時(shí)首先確定采摘對(duì)象，然后利用夾持機(jī)構(gòu)將蘋果納入采摘范圍，利用鋼絲繩拉動(dòng)彈簧，使夾持機(jī)構(gòu)收緊從而固定住蘋果，進(jìn)而利用夾持機(jī)構(gòu)上部的刀架部分剪斷果柄，放松夾持機(jī)構(gòu)，使蘋果落入中空布袋掉入收集筐中，完成采摘過程。
3 輔助人工采摘蘋果裝置采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本次輔助人工采摘蘋果裝置采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，采用機(jī)械式伸縮桿代替智能化機(jī)械臂，采摘頭部分以自主設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)為主完成蘋果與果樹的分離工作，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)材料，重量輕便，不會(huì)對(duì)人造成大的負(fù)擔(dān)。
3.1 伸縮桿設(shè)計(jì)
3.1.1 伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
伸縮桿主體部分分為內(nèi)管和外管，以及伸縮桿中部的連接緊固裝置，與市面上常見的伸縮桿裝置類似。如圖3.1和3.2所示。
3.1 伸縮管外桿
伸縮桿中部的連接緊固裝置的作用是用以控制伸縮桿的長度，它的原理類似于數(shù)控機(jī)床上的刀架裝夾裝置，分為固定在外管上的承定件和采用螺紋旋緊方式的游動(dòng)帽。如3.2所示。承定件作為連接部分的一端，主要作用是固定內(nèi)管的方位，使其不會(huì)發(fā)生大幅度的搖擺晃動(dòng)，它的外形如圓柱狀，頂端有六個(gè)彈性片，中部覆以螺紋。游動(dòng)帽內(nèi)孔是以內(nèi)管尺寸為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，它的內(nèi)表面上設(shè)置有缺口，與缺口對(duì)應(yīng)的是外管上的卡口，活動(dòng)件內(nèi)表面上覆蓋了一層摩擦條，當(dāng)承定件與游動(dòng)帽通過螺紋旋緊，螺紋收緊時(shí)，游動(dòng)帽壓迫承定件上的彈性鋼片固定住伸縮桿，同時(shí)其內(nèi)表面的摩擦條產(chǎn)生靜摩擦，防止伸縮桿產(chǎn)生繞軸心的旋轉(zhuǎn)，這樣就保證了伸縮桿在使用時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性。
圖3.2 伸縮桿承定件及游動(dòng)帽
3.1.2伸縮桿設(shè)計(jì)計(jì)算及校核
從之前收集的果園植株基本數(shù)據(jù)可知，蘋果果樹的樹冠基本高度在3m左右，而果農(nóng)在采摘蘋果時(shí)是手持伸縮桿進(jìn)行勞作，去掉果農(nóng)的身高，則伸縮桿總長
至少為2.5 m，按以往的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3.3所示：
圖3.3 伸縮桿長度設(shè)計(jì)原則
圖中L1為內(nèi)管長度，L2位外管長度，L2為外管內(nèi)部預(yù)留承接內(nèi)管部分的長度，以防止內(nèi)管從根部折斷，L4為內(nèi)管底部底托長度，L5為整個(gè)伸縮桿正常工作時(shí)的極限長度。
即
根據(jù)果農(nóng)手持桿狀物體的實(shí)際情況和用力特點(diǎn)，選用外管的外徑為30mm，厚度為 2mm,內(nèi)管從結(jié)構(gòu)上來說是與外管套在一起的，所以它的外徑應(yīng)該略小于外管內(nèi)徑，即，取內(nèi)管的外徑為28mm,厚度為2mm.
細(xì)長桿在受壓時(shí)，根據(jù)力學(xué)原則，它的軸線必然發(fā)生彎曲，桿件本身也會(huì)發(fā)生明顯的變形甚至折斷，由《簡明材料力學(xué)》第十章“壓桿穩(wěn)定”對(duì)壓桿的定義，可以將伸縮桿簡化為一端固定一端自由的壓桿則，利用歐拉公式來對(duì)它進(jìn)行穩(wěn)定性校核。
由歐拉公式的適用范圍可知，對(duì)小柔度壓桿，應(yīng)按強(qiáng)度問題計(jì)算，通過校驗(yàn)細(xì)桿的強(qiáng)度來確定是否合格，而對(duì)大柔度壓桿來說，需要用用歐拉公式計(jì)算臨界應(yīng)力，若超過臨界應(yīng)力的適用范圍，則需要對(duì)桿進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)中柔度壓桿則來說，歐拉公式并不適用，所以需要用到經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算臨界壓力。
輔助人工采摘裝置在工作時(shí)主要有人提供采摘所需要的力，所以整個(gè)伸縮桿的材料應(yīng)在滿足各項(xiàng)性能要求的前提下，盡可能地選用輕質(zhì)材料，以減少整個(gè)裝置的重量，減輕果農(nóng)的負(fù)擔(dān)。本次設(shè)計(jì)所選用的材料中，伸縮桿連接件材料為塑料材質(zhì)，伸縮桿桿體材料為304不銹鋼。其材料的主要性能為：彈性模量為
，比例極限 ， 由表3.1可知，
表3.1 不銹鋼的參數(shù)表
鋼號(hào)
鋼板標(biāo)準(zhǔn)
使用狀態(tài)
厚度/mm
在下列溫度下的許用應(yīng)力/Mpa
≤20
100
150
200
250
300
350
400
425
450
475
500
高合金鋼側(cè)板
oCr13Al
GB 4237
退火
2～15
118
105
101
100
99
97
95
90
87
-
-
-
oCr13Al
GB 4237
退火
2～60
137
126
123
120
119
117
112
109
105
100
89
72
oCr18Ni9
GB 4237
調(diào)質(zhì)
2～60
137
137
130
122
114
111
107
137
137
137
137
137
137
114
103
96
90
85
82
79
78
76
75
74
oCr18Ni10Ti
GB 4237
調(diào)質(zhì)，穩(wěn)定化
2～60
137
137
117
130
112
114
111
108
106
105
104
102
137
114
103
96
90
85
82
80
79
78
77
76
其許用安全應(yīng)力為137MPa，結(jié)合上述伸縮桿的規(guī)格參數(shù)以及其應(yīng)該能承受的最大壓力，即 , ，直徑，規(guī)定安全因數(shù)，
由《簡明材料力學(xué)》第十章式（10.9），求出
（1）
伸縮桿可簡化為一端固定一端自由的壓桿，則 由《簡明材料力學(xué)》第十章三小節(jié)的內(nèi)容可知，伸縮縮桿橫截面積為圓環(huán)形，
， （2）
所以它的柔度為
（3）
因?yàn)?，即該伸縮桿可用歐拉公式計(jì)算臨界壓力，
則
（4）
所以
伸縮桿的工作安全系數(shù)為
， （5）
所以滿足穩(wěn)定性要求。
3.2 采摘頭連接裝置設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)主要采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，所以在采摘頭與伸縮桿的連接裝置上，仿照臺(tái)燈支架的結(jié)構(gòu)，采用阻尼轉(zhuǎn)軸作為連接機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸及生產(chǎn)需要，選用用東莞市多信電子有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為LG403A一字轉(zhuǎn)軸，實(shí)物圖如圖3.5所示：
圖3.5 一字轉(zhuǎn)軸實(shí)物圖
3.3 采摘頭設(shè)計(jì)
3.3.1 夾持機(jī)構(gòu)
夾持機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)分為兩部分，如圖3.6所示，
圖3.6 夾持機(jī)構(gòu)1模擬仿真圖
其內(nèi)部輪廓仿照蘋果外形為不規(guī)則的圓形，而且在其外表面上并不是只有硬度很大的鋼材，為了保證蘋果果實(shí)的完好程度，夾持機(jī)構(gòu)在與蘋果表面直接接觸的部分是采取海綿材料作為緩沖層，這樣既方便夾取而且不傷蘋果。夾持機(jī)構(gòu)在工作時(shí)它的外部輪廓類似于矩形，中間相接合，內(nèi)部裝有輕質(zhì)彈簧，同時(shí)在刀架兩側(cè)裝有彈性管架，以螺栓的形式連接在采摘頭刀架上，工作時(shí)，手柄處用力使彈性管內(nèi)部鋼絲繩收緊，拉動(dòng)夾持面接合，為果柄切割做準(zhǔn)備，放松鋼絲繩，夾持面分離，蘋果落入果實(shí)傳輸裝置，采摘過程完成。夾持機(jī)構(gòu)尺寸根據(jù)蘋果大小設(shè)計(jì)，收縮范圍為750~950 mm。
3.3.2 切割機(jī)構(gòu)
切割機(jī)構(gòu)是采摘蘋果的重要部分，其主要結(jié)構(gòu)有刀桿，刀架，刀片，電機(jī)，行星減速器等，它的原理是依據(jù)偏心軸-連桿機(jī)構(gòu)將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)之初曾經(jīng)考慮過采用人力拉動(dòng)彈簧的方式來完成動(dòng)力的輸送，成本較低，但最終還是放棄了這個(gè)方案，因?yàn)橐环矫娌捎萌肆υ陬l繁多次的剪切過程中很容易會(huì)感到疲勞，另一方面是因?yàn)樗O(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)同樣要采用彈簧結(jié)構(gòu)，出于結(jié)構(gòu)簡單方面的考慮，最終決定采用電動(dòng)的方式。
對(duì)于成熟的蘋果而言，它的果實(shí)果柄其實(shí)是已經(jīng)接近脫落邊緣，而且這時(shí)候的果柄不會(huì)很硬，所以相較而言所需要的剪切力并不是很大。由采摘蘋果的經(jīng)驗(yàn)可知，切割機(jī)構(gòu)較為合理的工作方式為每分鐘剪切9~12 次，即偏心軸工作速率，然后據(jù)此選擇合適的電動(dòng)機(jī)以及減速器。
由《機(jī)械綜合課程設(shè)計(jì)》第三章內(nèi)容可知，切割機(jī)構(gòu)所需的功率為，
已知偏心軸零件直徑，
(6)
所以
，
所以電動(dòng)機(jī)所需功率
, (7)
根據(jù)值擬選用常州市德利來電器有限公司生產(chǎn)制造的型號(hào)為63ZYT002型12v直流電動(dòng)機(jī)， 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，
由 , （8）
可得傳動(dòng)比
（9）
據(jù)此選擇減速器，擬采用馬步崎公司生產(chǎn)的型號(hào)為M22GXR型行星減速器，實(shí)物圖如圖3.7所示，配合電機(jī)使用，它的規(guī)格參數(shù)信息見圖3.8。
圖3.7 行星減速器
圖3.8 行星減速器參數(shù)規(guī)格
3.3.3傳動(dòng)控制
采摘頭的傳動(dòng)控制由手柄，鋼絲繩，彈性管架，輕質(zhì)彈簧構(gòu)成，手柄采用鉸接的方式，工作時(shí)捏合手柄，鋼絲繩收緊，從而拉動(dòng)彈性管使加持機(jī)構(gòu)接合，放松手柄，加持機(jī)構(gòu)會(huì)在輕質(zhì)彈簧的作用下恢復(fù)原位，這樣就完成了一次采摘的輔助工作。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖3.9所示：
圖3.9 加持機(jī)構(gòu)原理示意圖
4 果實(shí)安全傳輸裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
蘋果作為一種商品出現(xiàn)在市場(chǎng)上，它的價(jià)格是與果實(shí)外形的完整程度息息相關(guān)的，所以在采摘過程，如何保證蘋果果實(shí)在從高處落至地面的過程中完好無損，是在設(shè)計(jì)果實(shí)安全傳輸機(jī)構(gòu)首先要考慮的問題。要使蘋果果實(shí)能夠安全地落至地面，首先就是要減緩它的下落速度。此次所設(shè)計(jì)的果實(shí)傳輸機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一種柔性很好的布料制成的中通的袋子，采用內(nèi)外兩層設(shè)計(jì)，外層采用彈性很好的布料，上大下小，內(nèi)層采用環(huán)節(jié)式彈性網(wǎng)設(shè)計(jì)，以減緩蘋果墜落時(shí)的速度，避免過大的加速碰撞而使蘋果受到損傷。整個(gè)結(jié)構(gòu)分為接收架，傳送裝置兩部分，接收裝置外形為直徑為1300mm的圓形圓環(huán)，由彈性鋼材料制成，而傳送裝置為中空的布袋，布袋內(nèi)側(cè)輔以環(huán)節(jié)式的彈性網(wǎng)，彈性網(wǎng)為圓環(huán)狀，示意圖如圖4.1所示，它的直徑應(yīng)該略小于蘋果直徑，通過這種結(jié)構(gòu)來減緩蘋果下落時(shí)的速度，整個(gè)傳送裝置外形呈上寬下窄的形狀。
圖4.1 傳輸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
由本文第二章內(nèi)容可知，蘋果果樹高處的果實(shí)直徑一般為75cm~95cm，保守起見，取果實(shí)直徑為100mm,為確保果實(shí)能夠落入傳送裝置內(nèi)，接收架的直徑應(yīng)該比果實(shí)直徑略大，取150mm。為使本裝置能夠成功減緩蘋果下落速度，彈性網(wǎng)的伸縮范圍應(yīng)該與蘋果果實(shí)的大小相匹配，經(jīng)過篩選，擬采用聚氨酯彈性纖維材料制成彈性網(wǎng)，其材料特性如表 所示。彈性布袋設(shè)計(jì)采用上寬下窄的結(jié)構(gòu)，也是由于布料為彈性材料，蘋果進(jìn)入布袋后運(yùn)動(dòng)至底部，在布筒彈力的作用下，速度會(huì)減至最小，最終安全地落至地面。
5 輔助人工采摘蘋果裝置運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的選擇
果園種植農(nóng)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，雖然未有智能化設(shè)備大規(guī)模地普及，但各種幫助果農(nóng)勞作的機(jī)械裝置層出不窮，現(xiàn)在的農(nóng)村在田間地頭運(yùn)輸蘋果時(shí)，多采用小車運(yùn)輸至果園外，然后由三輪車運(yùn)回家中?；诖?，本次設(shè)計(jì)的蘋果裝置運(yùn)輸機(jī)構(gòu)以運(yùn)輸小車的結(jié)構(gòu)為主改造而來，其結(jié)構(gòu)分為外層整體設(shè)計(jì)，外框結(jié)構(gòu)，內(nèi)框結(jié)構(gòu)三個(gè)部分，外層整體設(shè)計(jì)初步確定為小推車樣式，外框結(jié)構(gòu)固定在小車上，同時(shí)預(yù)留出采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置，內(nèi)框作為活動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在收集滿后可整筐取出，便于之后的運(yùn)輸。輔助人工采摘蘋果裝置總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)示意圖如圖5.1所示：
圖5.1 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
57
6 采摘機(jī)構(gòu)受力分析及彎曲切應(yīng)力強(qiáng)度校核
由《簡明材料力學(xué)》對(duì)梁部分內(nèi)容可知，本次所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)構(gòu)可簡化為外伸梁結(jié)構(gòu)，為保證機(jī)構(gòu)能夠具有最大限度的可靠性，在進(jìn)行受力分析時(shí)采用轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析，此時(shí)有，受力分析簡圖如圖6.1所示：
圖6.1 采摘機(jī)構(gòu)受力簡圖及彎矩扭矩圖
由靜力平衡方程求出支反力，
(10)
求得
位52
列剪力和彎矩方程，在AB段內(nèi)，
(11)
求得
彎矩和扭矩圖見圖6.1，此時(shí)已知
則由《簡明材料力學(xué)》第六章式(6.8) 可得
(12)
則
(13)
由彎曲切應(yīng)力的強(qiáng)度條件
(14)
可知，切割機(jī)構(gòu)滿足要求。
7 部位仿真模擬分析
7.1軟件介紹
Creo 2.0軟件是我在學(xué)校接觸到的一款功能性很強(qiáng)的軟件，它在三維立體圖形實(shí)體設(shè)計(jì)方面有著很強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，而且界面很簡潔明了，操作也是依據(jù)人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中的視物習(xí)慣來設(shè)計(jì)，滿足了我對(duì)實(shí)體模擬仿真的要求，其實(shí)在三維模擬仿真方面有很多功能強(qiáng)大的軟件，但至今為止我最喜歡用的還是PTC公司發(fā)布這款軟件。
在Creo 2.0軟件出現(xiàn)之前，工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)軟件方面通用的是Computer Aided Design (CAD)軟件，對(duì)三維實(shí)體來說，CAD并不能直接展示所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的效果，這對(duì)于設(shè)計(jì)工作來說難免會(huì)有一種朦朧感，其實(shí)CAD 軟件從電腦技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)候就與工程設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，到現(xiàn)在已經(jīng)沿用了十幾年時(shí)間了，它的市場(chǎng)以及技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，然而相較于三維軟件來說，它的操作界面繁瑣，軟件復(fù)雜，可以說，CAD軟件想要重新獲得躍進(jìn)式的發(fā)展，首先要解決的就是界面操作復(fù)雜的問題。相比較而言，在三維制圖方面，Creo 2.0軟件更具有優(yōu)勢(shì)，而且它制作出來的三維立體圖形也可以直接轉(zhuǎn)換導(dǎo)出工程圖樣，很是方便快捷。
7.2繪制零件圖
以采摘機(jī)構(gòu)刀頭零件為例，先創(chuàng)建新的文件，為繪制立體圖做準(zhǔn)備，具體步驟如下：
準(zhǔn)備工作：將目錄D:/dbcreo2.0/work/ch03/ch03.01 設(shè)置為工作目錄。
操作步驟如下：
Step1.選擇下拉菜單 →命令。
Step2.選擇文件類型和子類型。如圖7.1所示。
圖7.1 Creo 2.0新建文件對(duì)話框
Step3.輸入文件名。在文本框中輸入文件名“刀頭.prt”。
Step4.取消復(fù)選框并選取適當(dāng)?shù)哪０?，這里選取毫米作為單位直徑。
系統(tǒng)進(jìn)入零件的創(chuàng)建環(huán)境后，進(jìn)行如下操作：
（1）在“模型”面板中單擊 按鈕。
Step1:單擊拉伸特征操控版中 按鈕，再在彈出的界面中單擊按鈕，系統(tǒng)彈出“草繪”對(duì)話框。如圖 7.2 所示。這時(shí)選定截面方向，點(diǎn)確定按鈕。
圖7.2 Creo 2.0文件“草繪”對(duì)話框
Step2.定義截面草圖放置屬性。
Step3.創(chuàng)建特征的界面草圖，用操作面板上的“草繪”模塊中的圖形選項(xiàng)來做出零件的平面截圖。如圖7。3所示。
圖7.3 創(chuàng)建特征的截面草圖
Step4.定義拉伸深度屬性。選取深度類型并輸入深度值。選取深度方向。如圖7.4所示。
圖7.4 選取特征的深度類型并輸入深度值
Step5.完成特征的創(chuàng)建。
在完成平面草圖的截面特征后，定義其所有要素，然后用操控版中的“預(yù)覽”選項(xiàng)檢查所有特征是否正確，若存在錯(cuò)誤則會(huì)有信息提示。預(yù)覽完成后，單擊操控版中的“完成”按鈕，完成特征的創(chuàng)建。
（2）添加拉伸特征。創(chuàng)建零件的基本特征后，還可以在原有零件的基礎(chǔ)上增加其他特征，可以利用這項(xiàng)功能做出殼體等。
與創(chuàng)建零件基本特征相類似，不同的只是在定義拉伸屬性時(shí)，選擇選擇反向拉伸并去除材料，如圖7.5所示。
圖7.5 特征的反向拉伸
（3） 采取同樣的方法定義剩下的拉伸特征，完成零件的創(chuàng)建。
7.3 零件的有限元分析
為了使裝置具有更好的可靠性，即使用有限元分析的方法對(duì)主要零件的受力情況進(jìn)行分析，以便于對(duì)裝置的使用情況有一個(gè)大致的模擬。以傳輸機(jī)構(gòu)中的傳輸架為例，其有限元分析結(jié)果云圖及基本數(shù)據(jù)如圖7.6和圖7.7所示：
圖7.6 傳輸架有限元分析結(jié)果云圖
圖7.7 傳輸架有限元分析測(cè)量結(jié)果
由圖7.6云圖可以看出，并無紅色部分出現(xiàn)，所以整個(gè)傳輸架出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方幾乎沒有，而且根據(jù)圖7.7測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果也可知，理論上該傳輸架是能夠承受整個(gè)傳輸機(jī)構(gòu)在工作過程受到的力及載荷，綜上所述，該傳輸架零件是符合要求的，其他零件亦可以用這種方法進(jìn)行簡單的測(cè)試。
總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我在校內(nèi)第一次獨(dú)立自主完成的全面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，之前也有過這種設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，比如之前所做的基于激光切割技術(shù)的工藝制造“基于激光切割技術(shù)的工藝制造”，“壓條零件的機(jī)械加工工藝流程設(shè)計(jì)”等等，但那時(shí)是分組完成，每個(gè)人只負(fù)責(zé)一部分工作，相對(duì)來說容易許多，而這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作從開題到最后的定稿，全都是自己一人完成，由于此次的設(shè)計(jì)只屬于理論部分設(shè)計(jì)，并不牽扯到實(shí)物制作，很多數(shù)據(jù)其實(shí)與實(shí)際應(yīng)用并不符合，也沒有辦法通過實(shí)際操作去獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，這也是此次設(shè)計(jì)存在的最大問題，相對(duì)于其他學(xué)者所設(shè)計(jì)的科研成果而言確實(shí)有許多不足的地方，不過，在整個(gè)過程中，因?yàn)橐玫皆S多知識(shí)點(diǎn)我又重新復(fù)習(xí)了許多以前學(xué)習(xí)時(shí)沒有注意到的細(xì)節(jié)知識(shí)，在模擬仿真時(shí)對(duì)軟件的操作又熟練了許多，我很感謝學(xué)校對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的重視，這也是督促我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的原因之一，這一段時(shí)間，雖然在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)還要跑校招去找工作，顯得十分忙碌，但我卻覺得自己過得很充實(shí)。我會(huì)銘記這四年時(shí)光，做一個(gè)對(duì)社會(huì)有用的人才，不辜負(fù)你們的期望。
參考文獻(xiàn)
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致 謝
從去年抽取畢業(yè)設(shè)計(jì)課題開始到現(xiàn)在，畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作已接近尾聲，這段時(shí)間，我從一開始的茫然到現(xiàn)在的胸有成竹，很難說是一種什么樣的心情。因?yàn)樵趧傞_始拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的時(shí)候，我確實(shí)不知道該如何下手，然而經(jīng)過指導(dǎo)老師的細(xì)心指點(diǎn)，我終于找到了方向，老師給我的幫助確實(shí)很大。
本論文的工作我的指導(dǎo)老師是周老師，我和周老師算是比較熟悉了，他對(duì)學(xué)生的要求就像對(duì)待他所教授的制圖課一樣嚴(yán)謹(jǐn)，認(rèn)真，負(fù)責(zé)。在一開始的論文設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)中，我?guī)缀鯖]有任何思路，是周老師詳細(xì)分析了我的課題所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并指導(dǎo)我查閱資料，看看別人的方案是怎么設(shè)計(jì)的，在我因?yàn)檎夜ぷ骱彤呍O(shè)焦頭爛額的時(shí)候，也是周老師寬慰我讓我不要著急，事情總是要一步一步地做，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠及時(shí)完成確實(shí)離不開周老師的諄諄教誨。進(jìn)而引導(dǎo)我完成整個(gè)方案的設(shè)計(jì)，在論文撰寫的過程中，每當(dāng)我想要破罐子破摔的時(shí)候，是周老師不斷督促鼓勵(lì)我，使我免于懈怠。真的很感謝周老師對(duì)我的幫助。
同時(shí)也要感謝我可愛的同學(xué)們，是你們提供給我許多的收集資料的途徑，使我不再盲目的去尋找，讓我的思維不再局限，為此，我要向你們表達(dá)我深深的謝意。畢業(yè)在即，雖然我馬上要離開這個(gè)生活了許久的地方，但我不會(huì)忘記這段時(shí)光，不會(huì)忘記老師們對(duì)我的教誨，我會(huì)更加努力，不會(huì)辜負(fù)大家對(duì)我的期望。
附錄
附錄A 英文原文
附錄B 中文譯文
附錄C 總裝配圖
附錄D 部件裝配圖
附錄E 主要零件圖
附錄A 英文原文
Auto Recognition of Navigation Path for Harvest Robot Based on Machine Vision
Bei He1, Gang Liu1, Ying Ji1,2, Yongsheng Si1,2, and Rui Gao1
1 Key laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing, 100083, China
2 College of Information Science & Technology, Agricultural University of Hebei,
Baoding 071001, China
chujining@163.com
Abstract：An algorithm of generating navigation path in orchard for harvesting robot based on machine vision was presented. According to the features of or-chard images, a horizontal projection method was adopted to dynamically rec-ognize the main trunks area. Border crossing points between the tree and the earth were detected by scanning the trunks areas, and these points were divided into two clusters on both sides.
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